«ТЕХНОЛОГИЯ СТРОГАНОГО ЛИСТВЕННИЧНОГО ШПОНА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

На правах рукописи

Бегункова Наталья Олеговна

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОГАНОГО ЛИСТВЕННИЧНОГО ШПОНА

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Исаев С. П.

Хабаровск –

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Лесосырьевые ресурсы и перспективы использования древесины лиственницы в производстве строганого шпона

1.2 Оценка качественного состояния древесины при ее переработке................. 1.3 Обзор и анализ работ, посвященных производству и использованию строганого шпона

1.4 Выводы. Задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯ

СТРОГАНОГО ШПОНА НА ЕГО ОБЪЕМНО-КАЧЕСТВЕННЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1 Аналитическое решение и методика расчета выхода строганого шпона из кряжа

2.2 Оценка влияния условий формирования строганого шпона на качество его поверхности

2.3 Обоснование минимального диаметра кряжа при формировании строганого шпона на станках продольного строгания

2.4 Выводы

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИСТВЕННИЦЫ

НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СТРОГАНОГО ШПОНА

3.1 Исследование изменения ширины годичных слоев по радиусу и длине ствола

3.1.1 Методика исследования

3.1.2 Результаты исследования и их обсуждение

3.2 Определение ширины годичных слоев на торце круглого лесоматериала методом дистанционного зондирования

3.2.1 Методика исследования

3.2.2 Результаты исследования

3.3 Построение объемной модели круглого лесоматериала

3.4 Исследование влияния вида резания на шероховатость поверхности древесины при строгании

3.4.1 Методика исследования

3.4.2 Данные результатов эксперимента и их анализ

3.5 Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ КРУГЛОГО ЛЕСОМАТЕРИАЛА

И СПОСОБА ЕГО РАСКРОЯ НА ОБЪЕМНЫЙ ВЫХОД И ВИД

СТРОГАНОГО ШПОНА

4.1 Методика численной оценки вида строганого шпона и его объемного выхода на основе информационно-математического моделирования срезаемых слоев... 4.2 Анализ влияния формы круглого лесоматериала и способа его раскроя на объемный выход и вид строганого шпона

4.3 Выводы

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК КРЯЖА, УСЛОВИЙ ЕГО РАСКРОЯ И СТРОГАНИЯ

НА ВЫХОД ШПОНА

5.1 Обоснование выбора выходных параметров, постоянных и переменных факторов

5.2 Разработка математической модели

5.3 Оценка влияния основных факторов процесса строгания шпона на его объемно-качественный выход

5.4 Выводы

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Промежуточные данные для расчета выхода шпона............... Приложение Б. Листинг документа Mathcad для расчета выхода шпона.......... Приложение В. Результаты замеров ширины годичных слоев образца № 2-1. Приложение Г. Свидетельства о регистрации программы для ЭВМ................. Приложение Д. Алгоритм построения модели круглого лесоматериала.......... Приложение Е. Свидетельство № 2013614119 о государственной регистрации программы для ЭВМ

Приложение Ж. Интерфейс программного комплекса моделирования текстуры поверхностей, формируемых при раскрое кряжа

Приложение И. Блок-схема алгоритма оценки вида шпона и его объемного выхода

Приложение К. Свидетельство № 2013660838 о государственной регистрации программы для ЭВМ

Приложение Л. Интерфейс программного комплекса автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.............. Приложение М. Расчет коэффициентов регрессионной модели

Приложение Н. Акты внедрения

ВВЕДЕНИЕ

В «Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» [124] определены основные цели, одной из которых является удовлетворение потребностей внутреннего рынка высококачественной и конкурентоспособной продукцией отечественного производства, а одним из приоритетных направлений позиционируется «развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».

Современное состояние производства корпусной мебели характеризуется широким использованием синтетических облицовочных материалов.

Однако даже самый совершенный синтетический материал не способен обеспечить эстетическое восприятие и художественную выразительность натуральной древесины.

В мебельной промышленности страны имеется богатый опыт применения такого вида облицовочного материала как строганый шпон. Однако на протяжении достаточно длительного периода выпуск строганого шпона на территории Дальнего Востока был ориентирован на использование традиционных лиственных пород древесины (ясень, дуб и др.), эксплуатационный запас которых в лесном фонде Дальневосточного федерального округа в настоящее время резко сократился и составляет около 6 % [122].

Задачей поиска дополнительных ресурсов замены твердых лиственных пород при производстве строганого шпона занимались на протяжении многих лет, и было установлено, что лучшим заменителем древесины этих пород при облицовывании деталей мебели является лиственница. Лиственница наиболее широко распространена в лесах Дальнего Востока, ее запас составляет 65,2 % [122]. Но за последние 20 лет размерно-качественный состав лиственничного сырья значительно изменился, что сдерживает вовлечение древесины лиственницы в переработку, связанную с производством строганого шпона. Поэтому требуется технологическая модернизация действующих производств, которая обеспечит повышение эффективности производства строганого шпона из лиственницы.

Таким образом, задача вовлечения древесины лиственницы в переработку, связанную с производством строганого шпона, является актуальной.

Настоящая работа выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки Российской Федерации на выполнение НИР ФГБОУ ВПО «ТОГУ»

(договор № 1.7.12) «Моделирование раскроя круглых лесоматериалов на основе реконструктивного отображения макроструктурного строения древесины».

Степень разработанности темы исследования. Проблемами повышения эффективности производства строганого шпона занимались ученые: Л.П. Азарнина, П.В. Василевская, А.П. Комиссаров, В.И. Любченко, И.И. Михеев, В.Н. Плахов, Ю.А. Салов, А.С. Симонов, В.К. Соловьева, А.С. Торопов, В.Н. Хлебодаров, Е.С. Шарапов (Россия), А.А. Барташевич (Республика Беларусь), Э.И. Лобжанидзе (Грузия) и другие. Вопросам рационального раскроя сырья, имеющего различные формы образующей, посвящены работы многих исследователей: А.Е. Алексеева, И.Л. Белозерова, В.Ф. Ветшевой, В.С. Петровского, А.А. Пижурина, М.С. Розенблита (Россия) и других. Вопросами улучшения текстуры древесины занимался Н.А. Трубников, В.А. Шамаев (Россия), математическому моделированию для прогнозирования сложных рисунков из шпона на декоративных элементах мебели посвящены работы А.А. Барташевича, Л.В. Игнатовича, А.В. Шишова (Республика Беларусь). Вопросы прогнозирования влияния морфометрических характеристик (внутренней макроструктуры) древесины на свойства готовой продукции исследовались учеными: Л.В. Ильюшенковым, С.П. Исаевым, А.А. Тамби, А.Г. Черных, А.Н. Чубинским (Россия), М. Cerda (Чили), J. Kovanen (Финляндия).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности производства строганого шпона из древесины лиственницы.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

1) установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объемно-качественные параметры;

2) исследовать влияние морфометрических характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона;

3) исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверхности;

4) разработать информационно-математическую модель прогнозирования объемного выхода и вида (текстуры) строганого шпона;

5) изучить влияние факторов, характеризующих сырье, процессы его раскроя, строгания и прирезки шпона, на объемно-качественный выход строганого шпона;

6) разработать предложения по совершенствованию операций продольного раскроя круглых лесоматериалов и строгания шпона;

7) рассчитать экономическую эффективность внедрения технологических разработок.

Предметом исследования являются макростроение, морфометрические характеристики и процесс раскроя кряжей и строгания древесины лиственницы.

Объектом исследования является древесина лиственницы даурской.

Методология и методы исследования. Методологическую основу исследований составили базовые положения науки о древесине и ее свойствах. Использовались научные методы планирования экспериментов; работы ученых по исследованию продольного раскроя круглых лесоматериалов, их размернокачественных характеристик, производства строганого шпона; патентная информация, ресурсы Интернет; инновационные методы и средства исследований: фотограмметрическое зондирование, прецизионная профилография; стандартные методики испытаний по различным ГОСТам; современные способы обработки экспериментальных данных, математическое и программное моделирование с использованием возможностей математических пакетов Mathcad и MATLAB.

Научные положения, выносимые на защиту:

применение алгоритма расчета, основанного на теории кратных интегралов, позволяет прогнозировать объемный выход строганого шпона в зависимости от схемы продольного раскроя кряжа;

внутренняя макроструктура древесины круглого лесоматериала, характеризуемая шириной и расположением годичных слоев, находится в тесной связи с морфометрическими характеристиками лиственничного кряжа;

морфометрические характеристики лиственничного кряжа позволяют выбрать схему продольного раскроя кряжей с максимальным выходом строганого шпона радиальной текстуры;

прогнозируемый объемный выход строганого шпона определенного вида релевантно оценивается на основе виртуального раскроя реконструированной модели круглого лесоматериала.

Научной новизной обладают:

методика расчета выхода строганого шпона, основанная, в отличие от известных, на использовании теории кратных интегралов, современных математических пакетов и вычислительных средств;

определение характера изменения на пласти листа шпона ширины годичных слоев и наклона волокон в зависимости от морфометрических характеристик кряжа;

теоретическое и эмпирическое обоснование необходимости использования продольного раскроя сырья по сбегу и листов шпона для максимизации выхода радиального шпона при снижении границы минимального диаметра сырья;

математико-статистические модели, описывающие соотношения размеров макроструктурных элементов древесины и шероховатости поверхности шпона при различном направлении движения резания;

методика объективного определения вида строганого шпона, основанная на численной оценке прямолинейности годичных слоев в плоскости резания и достаточности предположения их параллельности;

информационно-математическая модель объемного выхода и текстуры строганого шпона.

Теоретическая и практическая значимость работы. Для теории имеют значения:

аналитическое решение задачи определения объемного выхода строганого шпона, основанное на теории кратных интегралов;

математико-статистическая зависимость изменения ширины годичных слоев в плоскости поперечного сечения круглого лесоматериала лиственницы;

уравнения регрессии, устанавливающие влияние условий резания древесины лиственницы на шероховатость строганной поверхности;

информационно-математическая модель круглого лесоматериала с отображением его внутренней макроструктуры, представляющая собой открытую развивающуюся систему математического моделирования, имеющая обобщающий характер и возможность ее использования в других областях, связанных с раскроем древесного сырья, в частности, в производстве пиломатериалов.

Для практического применения имеют значение:

обоснование минимального значения диаметра кряжа лиственницы, применяемого в технологическом процессе производства строганого шпона;

обоснование формирования строганого шпона из лиственницы, обладающего минимальными значениями и стабильной шероховатостью, при осуществлении продольного строгания заготовок;

объективный метод определения вида строганого шпона, основанный на численной оценке прямолинейности годичных слоев;

программный комплекс автоматизированного расчета объемного выхода и идентификации вида строганого шпона.

Внедрение результатов в производство позволит:

увеличить объемы вовлечения древесины лиственницы в переработку;

получать качественный строганый шпон из древесины лиственницы. При этом толщина шпона может быть снижена с 0,8 мм до 0,6 мм, что обеспечит увеличение его объемно-качественного выхода;

управлять процессами раскроя кряжей и строгания шпона с прогнозированием его объемно-качественного выхода в режиме реального времени.

Степень достоверности результатов исследований обеспечивается использованием современных методов исследования, разработкой при обоснованных допущениях корректных информационно-математических и регрессионных моделей, что подтверждается экспериментальными данными, а также положительными результатами промышленной проверки.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на XI-й Международной научно-технической конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2011 г.), на VII-м международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» (Екатеринбург, 2012), на IX-й международной научнотехнической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2012 г.), на Международном научно-практическом форуме «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона» (Хабаровск, 2012 г.), на III-й Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной информатики» (Коломна, 2013 г.), на всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2013 г.), на II-й Международной научнопрактической конференции «Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире» (Уфа, 2013 г.), на VII-м конкурсеконференции научных работ молодых ученых ТОГУ (Хабаровск, 2013); на XVI Краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 2014).

Технология продольного раскроя круглых лесоматериалов с применением программно-аппаратного комплекса создания реконструктивного отображения внутренней макроструктуры древесины удостоена Диплома и серебряной медали в номинации «Новые высокотехнологические разработки оборудования и наукоемкие технологии» на конкурсе «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» (Санкт-Петербург, 2013 г.).

Результаты работы защищены 4-мя патентами и 5-ю свидетельствами о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Результаты исследования приняты для использования в проектноконструкторской деятельности ЗАО «Комплексная проектная компания», применены в проектно-конструкторской работе ООО «Дальтехнодрев» (г. Хабаровск). Отдельные материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета кафедры «Технология заготовки и переработки древесных материалов» по дисциплине «Технология клееных материалов и древесных плит».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные в работе основные результаты исследований соответствуют паспорту специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», а именно: п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины».

Личное участие автора состоит в обосновании темы, предложении основополагающих идей диссертации, в формулировке цели и решении задач исследования. Соискателем разработаны методики и выполнялись эксперименты по определению ширины годичных слоев и шероховатости строгаемой поверхности, проведена статистическая обработка результатов. Разработка математических моделей и создание на их основе программных комплексов в преобладающем объеме выполнены автором диссертации, ей же принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей и патентов.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента на изобретение и 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 182 страницах и включает 75 рисунков и 24 таблицы. Библиографический список содержит наименований цитируемых работ российских и зарубежных авторов. Приложения включают результаты экспериментальных данных и их обработки, свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, акты внедрения результатов диссертационной работы.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Лесосырьевые ресурсы и перспективы использования древесины лиственницы в производстве строганого шпона Строганый шпон – незаменимый натуральный материал для облицовывания деталей высококачественных изделий, изготавливаемых из малоценных древесных пород. Кроме того, он используется для облагораживания различных других древесных материалов и тем самым имитирует образ массивной древесины ценных пород.

В соответствии с ГОСТ 2977-82 [45] шпон может изготавливаться из лиственных и хвойных пород. На Дальнем Востоке традиционно для производства строганого шпона из лиственных пород в основном использовался ясень. Однако ясень широко используется для производства также других столярно-мебельных изделий: стульев, столов, паркета, мебельных щитов и т. п.

На территории Дальневосточного федерального округа сосредоточено 19,2 млрд. м3 древесины и лесами занято 235,9 млн. га (без кустарников) [122]. Это составляет около 27,4 % запаса древесины и 44,6 % общей площади лесного фонда территории Российской Федерации [122]. В таблице 1.1 показано распределение древостоев между хвойными и лиственными породами (без кустарников).

Таблица 1.1 – Распределение покрытых лесом земель на Дальнем Востоке Анализ приведенных данных показывает, что наибольшую площадь занимают леса в Якутии (56,9 % от площадей, занятых лесами в Дальневосточном регионе). На втором месте находится Хабаровский край (19,0 %), на третьем – Амурская область (8,8 %). В то же время по доле лесных площадей к общей площади соответствующей территории впереди всех Приморский край (74,8 %), затем идут Сахалинская (64,7 %) и Амурская области (62 %) [139].

Породный состав хвойных пород в лесах в различных территориях Дальнего Востока приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Породный состав хвойных лесов на территориях Дальнего Востока Примечание: * – доля хвойных лесов на территории Дальнего Востока Из хвойных пород ГОСТ 2977-82 предусматривает изготавливать шпон только из лиственницы и сосны. Из таблицы 1.2 видно, что на всех территориях, кроме Приморского края и Еврейской автономной области, лидирующее место с колоссальным преимуществом занимает лиственница. Она занимает 74,6 % от всей площади лесов Дальнего Востока, а среди группы хвойных пород – 85,9 %.

Сосна в основном в Якутии и Амурской области, она занимает на Дальнем Востоке небольшую площадь – 4,9 %.

Что касается лиственных пород, то их состав для твердолиственных и мягколиственных пород в лесах различных территорий Дальнего Востока приведен в таблицах 1.3 и 1.4.

Таблица 1.3 – Породный состав твердолиственных лесов на территориях ДВ Примечание: * – доля твердолиственных лесов на территории Дальнего Востока Таблица 1.4 – Породный состав мягколиственных лесов на территориях ДВ Примечание:* – доля мягколиственных лесов на территории Дальнего Востока Из приведенных в таблицах 1.3 и 1.4 данных следует, что в качестве сырья (из твердолиственных пород) для производства строганого шпона могут представлять интерес только такие породы как дуб и ясень, занимающие соответственно 1,35 % и 0,17 % территории лесов Дальнего Востока. Из мягколиственных наибольшие площади занимают следующие породы: береза (5,8 %), осина (0,5 %), липа (0,34 %), ива (0,35 %).

В таблицах 1.5 – 1.7 даны запасы хвойных и лиственных пород на Дальневосточных территориях. Данные таблиц 1.5 – 1.7 показывают, что запасы древесины составляют, м3/га: лиственницы – 53,2; сосны – 5,0; дуба – 1,3; ясеня – 0,2; березы – 4,0; осины – 0,6; липы – 0,6; тополя – 0,42; ивы – 0,33.

Таблица 1.5 – Запасы хвойной древесины в лесах на территориях ДВ Таблица 1.6 – Запасы твердолиственной древесины в лесах на территориях ДВ Сравнительная таблица площадей, занимаемых данными породами, и величина запасов древесины данных пород, приведены в таблице 1.8. Из данных, приведенных в таблице 1.8, видно, что из хвойных пород по запасам древесины вне всякой конкуренции на первом месте стоит лиственница (53,23 м3/га), из твердолиственных – дуб (1,34 м3/га), а из мягколиственных – береза (4,00 м3/га). Графическая иллюстрация данных таблицы 1.8 показана на рисунке 1.1.

Таблица 1.7 – Запасы мягколиственной древесины в лесах на территориях ДВ Таблица 1.8 – Сравнительные данные площадей, занимаемых выбранными породами, и их запасы Территория Дальний Восток Необходимо сразу отметить, что для производства высококачественной мебели и изделий применяют, как правило, древесные породы с ярковыраженной текстурой древесины. Такие же лиственные породы как береза, осина, липа, тополь, ива имеют слабозаметные годичные слои и только у липы и ольхи заметны сердцевинные лучи [129].

Строганого шпона производилось в СССР по официальным данным около 300 млн. м2 [110]. Уже в этот период наибольшего развития деревообрабатывающей промышленности на Дальнем Востоке (конец 80-х годов ХХ века) ощущалась острая проблема недостатка традиционного сырья (ясеня) для изготовления строганого шпона [2]. Такая же ситуация в настоящее время сложилась и с древесиной дуба. Наибольшие площади и запасы дубовой древесины сосредоточены в Приморском крае и Еврейской автономной области. Однако последние десять лет учет лесных ресурсов Дальнего Востока не производился, и осуществлялись большие объемы рубок на экспорт круглых лесоматериалов как ясеня, так и дуба.

По официальным данным в 2005 – 2007 гг. уровень выпуска строганого шпона в России составлял около 10 млн. м2 в год [11]. В последние три года по данным аналитических обзоров маркетинговых исследований [6] потребности в строганом шпоне постоянно возрастали (в среднем на 20 % в год). Учитывая наблюдающуюся в последние три года тенденцию роста производства мебели из древесины и древесных материалов (в среднем на 16 % в год [11]), в дальнейшем можно ожидать увеличения спроса на строганый шпон, о чем также свидетельствуют прогнозы маркетинговых агентств [6].

В связи с этим в качестве одной из пород, серьезно расширяющей сырьевую базу производства строганого шпона на Дальнем Востоке, может быть лиственница. Внешний вид изделия, детали которого облицованы лиственничным шпоном, практически не уступает по своим декоративным качествам отделке такими твердолиственными породами, как ясень, бук. Разница в окраске у нее ранней и поздней древесины придает ей оригинальную текстуру, а цветная окраска дополнительно обогащает ее и улучшает декоративные свойства [121].

Однако необходимо сказать, что в объеме деловой древесины крупных круглых лиственничных лесоматериалов (толщиной от 26 см и более) содержится не более 10 % [122]. В соответствии с ГОСТ 9463-88 минимальный диаметр для строгания лиственницы должен составлять 32 см [47]. Средний же класс продуктивности лиственницы на территории Дальнего Востока невысокий (IV класс бонитета) [87, 122]. В основном преобладает средняя группа (толщиной от 14 до 24 см), доля которой доходит до 85 %. В результате изменения таксационных показателей эксплуатационных лесов, произошедших за последние годы, средний диаметр круглых лесоматериалов лиственницы даурской на территории Дальнего Востока составляет 24 см [122]. Такое уменьшение диаметра сырья приводит к необходимости разработки новых технологий, способствующих повышению эффективности производства строганого шпона.

1.2 Оценка качественного состояния древесины при ее переработке Вопрос качества древесины изучался и продолжает интересовать многих исследователей применительно к конкретному технологическому процессу ее переработки.

В работе О. И. Полубояринова [100] отмечается, что качество древесины круглых лесоматериалов зависит от условий и целей, для которых они производятся. Поэтому качественная оценка древесного сырья должна осуществляться на основе применения научно-аргументированного подхода при выборе технологических показателей, характеризующих определенный вид продукции деревообработки [62]. Качество круглых лесоматериалов определяется такими основными показателями как порода, размеры, нормы допускаемых по стандарту пороков [101]. Методы определения этих показателей хорошо известны и отражены в соответствующих нормативно-технических материалах, а средства получения данных о качестве древесины постоянно совершенствуются.

Наибольшее количество работ по установлению влияния качества древесины на объемно-качественные показатели готовой продукции выполнено при исследовании технологических процессов производства пиломатериалов и заготовок из массивной древесины.

Развитие теории раскроя пиловочного сырья базируется на установлении влияния различных факторов: линейных размеров и пороков формы бревен, условий подготовки бревен к раскрою и других – на разброс значений размеров, качество и объемный выход вырабатываемых пиломатериалов.

Исследованиями раскроя пиловочного сырья занимались многие ученые [3, 5, 14, 15, 25, 33, 65, 73, 81, 116, 128, 137 и др.], которые установили зависимости выхода производимых пиломатериалов от размерно-качественных характеристик перерабатываемого сырья.

В работах [97, 112] доказано, что решение задачи оптимизации раскроя древесины от хлыстов до заготовок требует комплексного подхода, при этом необходимо учитывать не только размерно-качественные характеристики пиломатериалов, заготовок и определенные ограничения на них, но и знать размернокачественные характеристики самих хлыстов.

В работах других авторов при разработке планов и алгоритмов раскроя сырья предлагалось учитывать таксационные характеристики лесного фонда [70, 88].

Зарубежные исследователи придерживались такой же методики при решении аналогичных задач [142, 143, 151, 152, 156], но при этом использовали информационно-математические методы моделирования для отыскания оптимальных технологических решений и, как правило, критерием оптимизации принимали прибыль.

Решение задачи по выбору рациональных схем раскроя пиломатериалов на заготовки в зависимости от макроструктурного строения древесины нашло отражение в работах, выполненных в ЛТА им. С. М. Кирова [58, 136]. При этом установлено, что учет реального расположения годичных слоев на торцах пиломатериалов позволяет увеличить объемный выход радиальных заготовок на 4 % по сравнению с технологиями, где объективный наклон годичных слоев не учитывался.

Несмотря на очевидное преобладание в деревообрабатывающей промышленности лесопильных производств, что подтверждается значительным количеством исследований, направленных на повышение эффективности производства пиломатериалов, технологические процессы производства шпона и материалов на его основе [52] или с его использованием занимают ведущие позиции в перечне технологий по глубокой переработке древесного сырья.

Древесное сырье, идущее на производство строганого шпона, имеет нормативные ограничения тех или иных технических показателей – размеров, пороков и других свойств, регламентируемых соответствующими стандартами [47, 48]. Для производства строганого шпона из древесины лиственницы стандарт допускает использование круглых лесоматериалов только 1 и 2-го сортов, диаметром не менее 32 см и длиной не менее 2,5 м. Однако в стандарты включают не все показатели, характеризующие качественное состояние древесины, так как понятие качество является еще одновременно и его экономической характеристикой [101], которая в данной работе не затрагивается.

Методики определения выхода строганого шпона основываются на использовании теоретических и экспериментальных способов расчета. В схемах раскроя кряжей, дающих более высокий выход шпона, предлагается использовать сбеговую зону, так как стандарт на строганый шпон допускает это.

В этом способе плоскость резания проходит параллельно оси кряжа со стороны строгания с таким расчетом, чтобы отпилить горбыль и получить потом шпон длиной не менее 0,4 м и шириной не менее 60 мм (требования к размерам шпона по ГОСТ 2977-82).

В работах [98, 99] исследованиями установлено, что использование сбеговой (параболической) зоны с одной стороны кряжа позволяет увеличить полезный выход шпона на 2,18 % (для кряжей диаметром 50 см и сбегом 2 см/м). В статье [53] отмечается, что расчеты показывают возможность увеличения выхода шпона на 1…2,5 % в зависимости от диаметра и длины кряжей (при использовании зоны сбега с одной стороны ванчеса). Результаты опытной проверки дали увеличение выхода шпона на 1…1,5 % от объема сырья. Отклонение значения фактического увеличения выхода шпона от расчетного объясняется наличием у круглых лесоматериалов пороков формы: кривизна и эллиптичность, – а также несоблюдением схемы раскроя и рядом других причин.

При определении дополнительного объема шпона, получаемого из сбеговой зоны, авторы [53] использовали приближенный метод его определения, который дает для условий производства достаточно точные данные. О сложности теоретического определения выхода строганого шпона отмечается и в работе [72].

При обработке экспериментальных данных по определению нормативов расхода сырья на выход строганого шпона в ЦНИИФе [130] для их корректировки использовали уравнение гиперболы, отражающее зависимость расхода сырья от диаметра кряжей:

а0, а1 – параметры уравнения;

х – диаметр кряжей, см.

Параметры уравнения (1.1) определяются решением системы двух нормальных уравнений способом наименьших квадратов:

m – удельный вес кряжей в общем объеме, %;

y – расход сырья на 1000 м2 товарного строганого шпона, м3.

Параметры х, m и y, входящие в уравнения (1.1) и (1.2), определяются по результатам экспериментальных данных, сведенных в соответствующие таблицы, а а0 и а1 – из решения системы уравнений (1.2). При этом объемы перерабатываемого сырья составляли примерно от 30 до 40 м3 на каждую породу. И в целом понятно, что методика определения нормативов достаточно трудоемкая работа.

Принимая во внимание, что процессу строгания предшествует раскрой кряжа на заготовки, можно предположить, что увеличение объемного выхода строганого шпона может быть достигнуто при условии применения схемы раскроя кряжа параллельно его образующей.

Таким образом, рассмотрение основных работ, направленных на изучение влияния качества древесного сырья на объемно-качественный выход продукции, дает основание констатировать, что объемный выход продукции существенно зависит от формы круглого лесоматериала.

Многочисленные исследования посвящены описанию формы древесных стволов, построению уравнений их образующих, характеризующих связь между диаметром ствола и расстоянием от комлевого торца до данного сечения, определению объемов стволов [9, 63, 64, 95, 96, 112].

Согласно данным лесной таксации, для определения уравнения поверхности ствола можно исходить из того, что основная часть стволов близка к формам правильных геометрических тел и ствол представляет собой тело вращения [9]. Образующая древесного ствола может быть представлена как объединение кривых различного характера, с достаточной точностью описываемых уравнением в общем виде:

y – радиус поперечного сечения ствола;

x – расстояние от начала координат до плоскости сечения ствола;

k > 0 – постоянный коэффициент;

a, b – показатели степени.

Наиболее распространен частный случай этого уравнения, когда показатель степени a равен двум. Значения и соотношение показателей степени характеризуют форму отдельных частей ствола. Нижняя часть приближается к нейлоиду и может быть описана уравнением образующей y 2 kx3, средняя часть – к цилиндру, образующая которого имеет вид y 2 k, или усеченному параболоиду y 2 kx, а вершинная часть – к конусу или усеченному конусу y 2 kx2.

Поскольку форма древесного ствола зависит от многих факторов: породы дерева, условий произрастания, возраста и др., – в работе В.С. Петровского [95] предлагается определять форму древесного ствола с помощью полинома:

y0,5 – радиус ствола на середине его длины;

а0, а1, а2, а3, а4 – коэффициенты, имеющие значение для каждой породы.

В формуле (1.3) коэффициенты а0, а1, а2, а3, а4 определяются эмпирически на основе обследования модельных деревьев.

В целом, говоря о качестве древесного сырья, во многих случаях пользуются среднестатистическими характеристиками, полученными на основе осмотраперечета круглых лесоматериалов выборки достаточно большого объема (3000 – 5000 [114]). Они являются основанием для отнесения древесины к тому или иному сорту. С учетом их, как правило, и планируется раскрой сырья соответствующего сорта.

Определенные трудности здесь связаны с диагностированием внутренней сучковатости фанерного сырья. Как отмечает Полубояринов О. И. [101], о внутренней сучковатости комлевых кряжей хвойных пород можно судить по ширине годичных слоев внутри его поперечного сечения. Кроме того, по ширине годичных слоев можно также судить о плотности, прочности, декоративных свойствах древесины. На поперечном сечении также легко определяется цвет, ширина заболони, расположение сердцевинной трубки.

Таким образом, используемые достаточно длительное время методы контроля качества материалов и изделий из древесины являются трудоемкими и продолжительными. Развитие новых методов и оборудования дефектоскопии позволяет контролировать внутреннее строение, иметь более точные данные о размерах и форме, а также внутренних дефектах и пороках обследуемого объекта. Такая тенденция отмечается и в развитии деревообрабатывающей отрасли, что становится определяющим условием ее прогресса. Например, в Японии использование для контроля внутренней структуры распиливаемой древесины компьютерных томографов позволяет получать пиломатериалы с выразительной красивой текстурой, которые очень ценятся в жилищном строительстве [64]. Автор отмечает, что использование современных информационных технологий позволяет в лесопилении увеличить объемный выход пиломатериалов на 8 %, а ценностный на 20 %.

Ученые СПбГЛТУ им. С. М. Кирова [80] для идентификации древесины различных пород и определения их сортов использовали компьютерную томографию, с помощью которой не только оценивались внешние параметры круглых лесоматериалов, но и их внутреннее строение. Аналогичными вопросами занимались в университете Лорейн и в Национальном исследовательском институте агрономии в г. Нанси [80].

Об использовании рентгеносканирования для сортирования круглых лесоматериалов и определения его параметров говорится в работе [68]. Автор отмечает также, что рентгеноскопия позволяет сортировать бревна по диаметрам без учета коры. На разработку автоматизированных методов определения размеров поперечных сечений круглых лесоматериалов, их формы и построению математической модели поперечного сечения сортимента, восстанавливающей форму его сечения, направлены исследования, проведенные М. В. Захаровым [55].

Имеющийся обширный научный материал свидетельствует о важности информации о размерно-качественных характеристиках круглых лесоматериалов в процессе их переработки. Они характеризуют пригодность их для изготовления конечной продукции и, в частности, строганого шпона. И здесь большое значение имеет прогнозирование внутренней структуры и формы древесного сырья. Существующие длительное время технологии определения качественных характеристик сырья носят частично субъективный характер, поскольку наряду с инструментальными методами их определения применяются визуальные способы контроля качества. Отсутствие качественной информации не способствует точному выполнению различных технологических операций.

1.3 Обзор и анализ работ, посвященных производству Технологический процесс производства строганого шпона состоит из целого ряда операций, которые в целом должны обеспечить производство качественного шпона и его достаточно высокую рентабельность. Безусловно, эти показатели тесно связаны между собой и зависят во многом от объемного выхода шпона и его декоративных свойств, определяемых видом шпона.

Выход шпона зависит от многих факторов: породы древесины и ее качества, диаметра кряжей, схемы продольного раскроя, гидротермической обработки, режимов резания, толщины отстругов и способов их переработки и др. При этом схемы раскроя различаются эффективностью использования сырья, выходом шпона по количеству и качеству. Они составляются, как правило, с учетом декоративной ценности или «желательности» текстуры древесины и того, что наиболее ценным является радиальный и полурадиальный шпон. Особенно это актуально для такой породы как лиственница, так как тангентальный шпон из нее практически непригоден для облицовывания деталей мебели и других столярно-строительных изделий [79, 82].

Кроме того, радиальный шпон более технологичен при изготовлении лицевых поверхностей изделий из древесины с одинаковым рисунком. Вопросами увеличения количественного и качественного выхода строганого шпона, его отделкой занимались многие исследователи [2, 12, 13, 26, 31, 32, 38, 53, 67, 69, 71, 72, 75, 76, 78, 83, 89, 90, 98, 99, 115, 117 – 121, 125, 126, 134, 138, 141]. Так в работе [98] отмечается, что использование полуванчесного способа раскроя кряжей позволяет обеспечить выход шпона: радиального – 59 % и полурадиального – 37 %. Это, конечно, меньше, чем при секторно-радиальном способе раскроя (соответственно – 70 % и 30 % [123]), но выше, чем при других способах. Упрощается раскрой сырья, увеличивается производительность шпонострогального станка.

Изучая влияние способа раскроя кряжей и диаметра на выход вида шпона В. К. Соловьева [121] отмечает, что максимальный выход радиального и полурадиального шпона получается при ванчесном способе раскроя кряжей лиственницы диаметром 35…50 см. При диаметре 52…60 см максимальный выход получается при использовании ванчесного раскроя с выпиливанием сердцевинной доски.

При диаметре 62 см и более используется способ троения с выпиливанием сердцевинной доски. Автор считает эти способы наиболее рациональными с точки зрения обеспечения максимального выхода строганого шпона.

З. А. Онищенко [90] к рациональным способам раскроя относит: четырехкантно-брусьевой, ванчесный четырехсторонний, троения и секторно-радиальный.

По мнению автора, эти способы обеспечивают максимальный количественный и качественный выход строганого шпона и наибольшую производительность шпонострогальных станков. Кроме того, они позволяют повысить выход самого ценного радиального и полурадиального шпона с экономией сырья до 2 %. У сырья диаметром до 30 см выход строганого шпона из четырехсторонних брусьев выше; у сырья диаметром более 30 см, наоборот, больше выход у четырехсторонних ванчесов.

Для лиственницы, по данным СвердНИИПдрев [99], в зависимости от диаметра и сорта кряжей рациональными способами являются ванчесный, ванчесный с выпиливанием сердцевинной доски и способ троения с выпиливанием сердцевинной доски. Выход строганого шпона из лиственницы для соответствующих групп диаметров 36…40, 42…50, 52…60, 62 см и более составил соответственно 31,3; 40,9;

37,4; 42,5 процентов.

В поисковых экспериментах, проведенных ДальНИИЛПом [2] по производству строганого шпона из лиственницы даурской диаметром 35…50 см, выход оказался равным 26,8 %. При этом использовался ванчесный способ продольного раскроя без выпиливания сердцевинной доски и анализ различных способов раскроя на выход шпона не производился.

О технологии раскроя кряжей по сбегу в производстве строганого шпона говорится в работе [26]. Авторы предлагают делать два первых реза параллельно оси кряжа и между собой, два следующих реза 3 и параллельно сбегу и перпендикулярно 1-му и 2-му пропилам. С помощью 5-го пропила тупокантный брус делится на два ванчеса. Каждый ванчес имеет две пласти параллельных между собой и две боковые пласти, опиленные по сбегу (рис. 1.2). Строгание ванчесов осуществляется по плоскостям 1 и 2.

В. Н. Хлебодаров [132] отмечает, что при выпиловке ванчесов параллельно оси бревна меньше выход строганого шпона и, кроме того, перерезаются волокна древесины.

При этом на долю клиновидных горбылей, выпиливаемых из периферийной и наиболее качественной части кряжа, приходится до 25 % отходов. Автор предлагает сократить эти потери за счет раскроя кряжей параллельно образующей кряжа со всех четырех сторон. Выкраиваемый при этом ванчес имеет форму усеченной пирамиды. Условный графо-аналитический раскрой лиственницы диаметром 32…60 см, проведенный автором с моделированием на компьютере, показал, что строгание таких заготовок увеличивает выход строганого шпона в сравнении с базовым вариантом на 3…12 %.

Однако первая схема раскроя не позволяют обеспечить максимальный выход радиального и полурадиального шпона, вторая – не обеспечивает надежного базирования и, как следствие, высокого качества шпона.

Для возможного решения этого вопроса предлагается способ раскроя [92] кряжа по сбегу, обеспечивающий получение большего объема радиального и полурадиального шпона (рис. 1.3). Плоскости внутренних пропилов 5 и 6 параллельны соответственно плоскостям наружных пропилов 3 и 4. Строгание ванчесов осуществляется по плоскостям 3 и 4, а базирующими являются плоскости 5 и 6.

При наличии метиковой трещины она попадает в тело, ограниченное плоскостями 5, 6 и плоскостью, проходящей через торцевую поверхность в комле Продольным раскроем пиловочного сырья по сбегу занимались в САФУ им. М. В. Ломоносова [4, 5]. Автор отмечает, что при таком способе раскроя более рационально используется параболическая зона сортимента, предназначенного для выработки пиломатериалов, и обеспечивается больший их выход, чем при осевой ориентации круглых лесоматериалов и последующей их распиловке. Такая же тенденция отмечается и в работе В. Н. Волынского [35]. Приведенные им данные показывают, что раскрой необрезных досок по сбегу и применение технологий склеивания увеличивает степень использования древесины на 10 – 15 %, а если раскрой вести еще и по уклону кромки, этот показатель может быть повышен еще на 3 – 5 %.

Анализ приведенных работ показывает, что при исследовании продольного раскроя сырья для производства строганого шпона и его эффективности авторы, как правило, использовали крупномерное сырье (диаметром более 40 см). Поэтому при уменьшении среднего диаметра сырья необходимы новые эффективные технологии строгания шпона.

Требования ГОСТ 9463-88 к толщине сырья составлены с учетом общепринятых способов раскроя кряжей на заготовки и способа строгания заготовок на шпон, при котором резание древесины осуществляется в поперечном направлении. Поэтому актуален вопрос разработки новых технологий, позволяющих организовать рентабельное производство лиственничного строганого шпона из сырья меньшего диаметра, причем с преобладающим количеством радиального и полурадиального вида. В связи с необходимостью рассмотрения возможности эффективного производства строганого шпона из хвойного сырья диаметра меньшего 32 см следует вернуться к кряжевому способу разделки фанерного сырья, обеспечивающего достаточно высокий выход 44…51 % [123] для сырья диаметром 26…40 см. Недостатки этого способа известны – это незначительное количество радиального и полурадиального шпона [98], а также трудности фиксации брусьев на столе шпонострогального станка (при строгании нескольких брусьев). При использовании станков, где резание осуществляется в продольном направлении и по одной заготовке, последний недостаток устраняется. Однако вопрос уменьшения выхода тангентального шпона из лиственницы при таком способе строгания остается открытым.

Качество шпона, по мнению различных ученых, зависит от различных факторов: способа прогрева древесины и температуры ее нагрева, плотности и твердости древесины, угла между направлением строгания и направлением волокон древесины, направлением строгания – от вершинной части к комлевой или наоборот, направлением строгания относительно волокон древесины – поперечным или продольным. По мнению большинства исследователей, качество строганого шпона, в основном, определяется прочностью шпона при растяжении поперек волокон, разнотолщинностью и шероховатостью.

Поиск оптимальных режимов тепловой обработки древесного сырья нашел отражение в работах Н.В. Качалина, Э.И. Лобжанидзе, А.П. Комиссарова, П.П.

Анисова [7, 66, 69, 75, 76] и других. Обобщая результаты предыдущих исследователей, А.П. Комиссаров [69] экспериментально и теоретически установил, что оптимальная температура нагрева лиственничной древесины равна 405 С. При этом в качестве основных критериев для оценки качества шпона принимались такие его показатели как шероховатость и разнотолщинность. Автор [69] показал, что рекомендуемая В. К. Соловьевой [121] максимальная температура нагрева древесины лиственницы 68 С слишком высока.

Режимы строгания древесины на шпон рассматривались в работах В.И.

Любченко, П.В. Василевской, В.Н. Плахова, И.И. Михеева, А.С. Симонова [32, 71, 77, 79, 83, 98, 99, 120] и других. В.И. Любченко исследовал влияние взаимного расположения ножа и прижимной линейки на шероховатость шпона и рекомендует оптимальный угол для установки прижимной линейки относительно ножа принимать равным 42 градусам. В.Н. Плахов дает параметры оптимальной геометрии прижимной линейки, ее положения относительно ножа и поверхности резания.

И.И. Михеев исследовал влияние степени обжима древесины на относительную глубину трещин в шпоне. Установлено, что с уменьшением глубины внутренних трещин прочность шпона на растяжение перпендикулярно волокнам растет. А.С.

Симонов показал влияние степени обжима и скорости резания на шероховатость поверхности шпона и его прочность на растяжение перпендикулярно волокнам.

Автор считает, что обжим, равный 15…20 %, является оптимальным для лиственничного шпона. Исследования показали, что минимальную шероховатость имеет радиальный шпон. Полурадиальный шпон имеет шероховатость больше примерно в 1,5 раза, а тангентальный – в 1,9 раза.

Продольным резанием древесины занимались А.Л. Бершадский, С.А. Воскресенский, Р.Х. Гайнуллин, А.Э. Грубе, Е.Г. Ивановский, В.И. Санев, Н.И. Цветкова, А.Н. Чемоданов [27, 37, 38, 49, 56, 135] и другие. Анализ исследований показал, что получаемый таким образом шпон превосходит по качеству шпон, получаемый при поперечном строгании. Сам процесс продольного строгания требует также меньших энергозатрат. Шпон имеет меньшие внутренние трещины и меньшую шероховатость [154]. Поэтому продольное строгание является перспективным способом повышения эффективности производства строганого шпона.

Одним из путей повышения эффективности использования древесины и выхода продукции в производстве строганого шпона является снижение ее материалоемкости (например, строгание шпона уменьшенных толщин [13, 26, 53, 90, 98, 117, 134]). В работе [148] отмечается, что чем тоньше шпон, тем меньше его шероховатость. В производстве тонкого строганого шпона существенное влияние на его качество оказывает глубина трещин [90]. Она не только определяет прочность шпона, но и влияет на просачиваемость шпона клеем. С этих позиций для производства тонкого шпона целесообразно использовать продольный способ строгания.

Известно, что по ГОСТ 2977-82 [45] строганый шпон в зависимости от текстуры древесины подразделяется на следующие виды: радиальный, полурадиальный, тангентальный и тангентально-торцовый. В ГОСТ 2977-82 дается характеристика радиального и полурадиального шпона. Причем если у радиального шпона все годичные слои имеют вид прямых параллельных линий по всему листу, то к полурадиальному относят такой, у которого годичные слои образуют прямые параллельные линии на площади не менее площади листа. В.Н. Плахов [98] отразил это условие в виде отрезков ВВ2 = Вр и ВВ1 = Вр (рис. 1.4). Высоты зон выхода радиального, полурадиального и тангентального шпона (Hр, Hпр и Hт), обозначенных на рисунке 1.4, определяются по следующим формулам:

при ванчесном и кряжевом способах раскроя при полуванчесном способе раскроя Такой метод прогнозирования вида шпона позволяет говорить о возможном количестве (доле) радиального, полурадиального или тангентального шпона. В работе не указывается для какого диапазона диаметров справедливы эти формулы. Анализ формулы (1.4) для определения зоны, из которой получается радиальный шпон, показывает, что она справедлива только для диаметров более 40 см.

При толщине отструга 3 см (автор [98] ссылается на паспортные данные шпонострогального станка) не трудно рассчитать, что радиальный шпон будет выходить только при радиусе R не менее 20,83 см, поскольку в этом случае высота радиальной зоны Hр неотрицательна.

Кроме того, вопросы подбора «желаемого» рисунка (текстуры) и справедливость этих формул при раскрое по сбегу остаются не решенными.

Получение того или иного вида шпона, в основном, обеспечивается способом раскроя кряжей на заготовки для строгания.

Н.А. Трубников выделяет пять факторов, определяющих декоративную ценность текстуры природной древесины [126, 127]:

наличие зримо отличающихся размерами анатомических элементов (сосудов);

наличие контраста между годичными слоями;

наличие сердцевинных лучей, отличающихся окраской;

наличие отклонений в строении древесины (свилеватость волокон, волнистость годичных слоев и др.);

наличие разноцветных прожилок.

Автор изучал возможность улучшения уровня декоративности текстуры древесины ольхи за счет селективного окрашивания и прессования древесины и получил положительные результаты. Кроме текстуры, декоративность и привлекательность древесины несомненно зависит от ее цвета и блеска.

Таким образом, уровень декоративной ценности строганого шпона зависит преимущественно от уровня контрастности между группами однородных анатомических элементов в отношении их окраски [113]. Он во многом определяется углом перерезания древесных волокон и отражением света от перерезанных анатомических элементов, а также наличием различных отклонений в строении древесины.

Выразительность текстуры также зависит от ширины и формы годичных слоев.

В ряде случаев на выбор определенного вида шпона влияет «желательность» того или иного рисунка и технологичность его получения для изготовления комплектов мебели с одинаковым рисунком лицевых поверхностей [32]. Радиальный и полурадиальный виды шпона в этом случае, видимо, являются наиболее подходящими. Автор [32] также отмечает, что необходимо учитывать ширину годичных слоев древесины, которая влияет на декоративные свойства шпона. Так, для тропических пород широкие годичные слои нередко делают тангентальный шпон более предпочтительным.

Однако ширина годичных слоев у лиственницы небольшая и на поверхности шпона будет зависеть от их ширины в радиальной плоскости резания и от расстояния от центра кряжа до плоскости строгания. Поэтому, с точки зрения получения шпона с «желательным» рисунком, при раскрое сырья на заготовки для строгания представляет определенный интерес учет закономерностей изменения ширины годичных слоев по радиусу круглых лесоматериалов и места их вырезки из ствола.

Для получения строганого шпона с преобладанием определенной текстуры могут применяться различные схемы продольного раскроя фанерных кряжей. При этом получаются заготовки, имеющие различные размеры и формы. Эти способы достаточно подробно описаны в работах различных авторов [67, 71, 72, 98, 99, 120, 123 и др.].

В работах СвердНИИПДрева предлагается крашение лиственничного строганого шпона для получения мебели различных цветовых сочетаний [28]. Результаты многих исследований, выполненных Всесоюзным проектноконструкторским и технологическим институтом мебели (ВПКТИМ) по использованию строганого шпона из лиственницы в производстве мебели, обобщены в соответствующих рекомендациях по его применению [111].

В обзоре С.Э. Отто [91] рассмотрены более 50 японских патентов по технологии производства декоративного строганого шпона, направленной на повышение его декоративно-художественных свойств и их предсказуемости.

Этому требованию вполне удовлетворяет технология «Файн-лайн». О важности прогнозирования рисунка и необходимости использования методов математического моделирования для получения «желаемого» рисунка на поверхности декоративного облицовочного материала отмечается в работе [57]. Авторы [12, 57] занимались прогнозированием необходимого рисунка шпона, полученного из клееного блока. Клееный блок изготавливали из лущеного шпона, окрашенного в различные цвета. Для построения требуемого окрашенного контура в клееном блоке и соответственно шпона с «желательным» рисунком использовали метод математического моделирования. При этом рассматривались методы: пробных точек, интервального анализа, сопоставления с эталоном, генетических алгоритмов. Изготовление такого клееного блока связано с большой сложностью прогнозирования и получения «желаемого» рисунка из реального сырья. Одной из самых сложных задач при работе с натуральным шпоном считается сохранение общего рисунка древесины на всех поверхностях деталей изделия. Израильская фирма MTD Software [40] предложила программу, позволяющую подбирать раскрой шпона, создающий впечатление идеальной гармонии рисунка даже при многокомпонентных фасадах.

Поэтому для прогнозирования «желаемого» рисунка (текстуры) строганого шпона из каждого круглого лесоматериала, поступающего на операцию продольного раскроя, необходимо разработать специальный технологический процесс. Такая технология позволит прогнозировать получение «желаемого» рисунка, то есть уровень декоративности текстуры древесины шпона в режиме реального времени и, кроме того, управлять формированием целостного декоративного образа будущего вида строганого шпона и целенаправленно осуществлять дизайнерские разработки различных видов мебели. Однако для работы по такой технологии в режиме реального времени требуется создание модели внутренней макроструктуры каждого круглого лесоматериала, программного комплекса, позволяющего осуществлять виртуальный раскрой сырья и воспроизводить текстуру, образуемую при этом в плоскости резания, а также объективную методику численной оценки вида шпона.

Для создания модели внутренней макроструктуры круглого лесоматериала (кряжа) могут применяться различные методы. В работе [68] отмечается, что при рентгеносканировании круглых лесоматериалов на изображении также фиксируются граница между заболонью и ядром, сучки или их группы, годичные кольца, внутренние трещины и другие внутренние пороки. Система обеспечивает обработку информации в долях секунды. Для лиственницы характерно наличие сильного контраста между годичными слоями, что во многом и определяет декоративную ценность ее текстуры.

Современные системы оптического распознавания объектов способны сказать о макроструктуре достаточно много [41, 150, 153]. Системы на основе предметной области компьютерного зрения приобретают все большее распространение и могут быть использованы не только для получения информации о макроструктуре изучаемых объектов, но и для изучения их геометрических параметров.

Такие системы способны распознать годичные слои на торцах кряжей. В работах [34, 144 – 146, 155] системы оптического распознавания использовались для изучения годичного прироста деревьев.

В целом можно отметить практическое отсутствие информации о моделировании реконструктивного отображения внутренней макроструктуры круглых лесоматериалов, предназначенных для строгания, и использовании ее для виртуального раскроя и формирования «желаемого» рисунка (текстуры) древесины.

Некоторые подходы для построения такой модели можно найти в работах [62, 85, 147]. Авторы отмечают, что в морфологии растений все большее значение приобретает концепция их модульной конструкции, базирующейся на постоянстве системы. И это постоянство в соотношении модулей конструкции в ходе роста и развития растения подчиняется определенным закономерностям, тем самым гарантируя его структурно-функциональную целостность. С.П. Исаев [62] отмечает, например, такую закономерность для распределения ветвей по стволу дерева. В работах [9, 129] говорится о наличии зависимости ширины годичного слоя от расстояния его от центра кряжа, а также об изменении его по высоте ствола. Изменение ширины годичного слоя по высоте ствола определенным образом влияет на форму ствола. С увеличением ширины годичного слоя форма ствола приближается к цилиндрической [8, 9]. Рисунок, образуемый годичными слоями при строгании кряжей, во многом определяет ценность текстуры шпона. Поэтому можно предположить, что для построения модели внутренней макроструктуры древесины необходимо учитывать морфометрические характеристики ее стволовой части.

Второй признак, помогающий определить вид шпона [45], – это сердцевинные лучи. У радиального шпона сердцевинные лучи имеют вид полос, расположенных не менее чем на площади листа, у полурадиального – имеют вид наклонных или продольных полос, расположенных не менее чем на площади листа. Такая характеристика вида шпона также не позволяет прогнозировать его качественный выход с точки зрения «желательности» того или иного рисунка. В то же время известно, что расположение сердцевинных лучей, влияющих на декоративные свойства древесины, в объеме древесины подчиняется определенным закономерностям [29]. Сердцевинные лучи у большинства древесных пород располагаются по спирали вокруг оси ствола дерева, то есть соблюдается закон спирали роста [62].

Определение закономерностей в распространении, например, годичных слоев (а в дальнейшем и других анатомических элементов) в объеме круглого лесоматериала позволяет моделировать его внутреннюю макроструктуру и прогнозировать получение возможной текстуры шпона.

Определенное влияние на выход шпона и производство шпона уменьшенных толщин оказывает его прочность. На прочность шпона при растяжении поперек волокон влияют образующиеся при резании внутренние трещины, а при растяжении вдоль волокон – угол перерезания волокон, который зависит от схемы продольного раскроя кряжа на заготовки [79]. При раскрое по сбегу этот угол будет минимальным. Прочность шпона безусловно зависит и от доли поздней древесины в слое, количество которой также будет определяться схемой продольного раскроя (это особенно важно для лиственницы, обладающей большой разницей в прочности ранней и поздней древесины). Получение строганого шпона с равномерным распределением структуры годичных слоев позволит избежать повышенного его коробления в процессе сушки и тем самым обеспечить высокое качество облицовывания мебели.

Для этого необходимо исследовать морфометрические характеристики лиственницы, в частности, распределение по радиусу ствола годичных слоев по ширине.

По результатам аналитического обзора определены основные области исследований повышения эффективности процесса формирования строганого шпона (рис. 1.5), а также сформулированы задачи исследования.

Рисунок 1.5 – Основные области исследований повышения эффективности процесса формирования строганого шпона Проведенный обзор работ, посвященных влиянию размерно-качественных характеристик древесного сырья на объемно-качественные показатели производимой из него продукции, позволяет сделать следующие выводы:

1. Вопрос оценки и прогнозирования размерно-качественных показателей древесного сырья является основополагающим при его переработке в продукцию с заданными целевыми характеристиками свойств и назначения.

2. Продольный раскрой круглого лесоматериала представляет собой сложный многофакторный процесс, в котором выбор схемы и способа раскроя являются основополагающими и оказывают существенное влияние на объемнокачественный выход конечной продукции.

3. Большинство исследований проводилось без учета морфометрического строения древесины, а объемно-качественные показатели строганого шпона оценивались на основе эмпирических данных.

4. Имеющиеся исследования в области производства строганого шпона главным образом посвящены вопросам его изготовления из древесины твердолиственных пород. При этом следует отметить, что оценка качества производимого строганого шпона осуществлялась применительно к классической схеме поперечного резания на шпонострогальных станках.

5. Одним из обязательных показателей качества строганого шпона является вид текстуры его поверхности. Существующие нормативные документы регламентируют определение вида шпона на основе визуальной оценки и сравнения с эталоном.

6. Совершенствование способов и оборудования производства строганого шпона (шпонострогальные станки с продольным резанием) способствует улучшению качества производимой продукции, однако наличие экспериментальных данных, подтверждающих их эффективность, следует признать недостаточным.

Для достижения поставленной в работе цели определены следующие задачи исследования:

1) установить влияние способов раскроя кряжа и строгания шпона на его объемно-качественные параметры;

2) исследовать влияние морфометрических характеристик лиственницы на качественные показатели строганого шпона;

3) исследовать влияние вида резания на шероховатость строганной поверхности;

4) разработать информационно-математическую модель прогнозирования объемного выхода и вида (текстуры) строганого шпона;

5) изучить влияние факторов, характеризующих сырье, процессы его раскроя, строгания и прирезки шпона, на объемно-качественный выход строганого шпона;

6) разработать предложения по совершенствованию операций продольного раскроя круглых лесоматериалов и строгания шпона;

7) рассчитать экономическую эффективность внедрения технологических разработок.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА

ФОРМИРОВАНИЯ СТРОГАНОГО ШПОНА

НА ЕГО ОБЪЕМНО-КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1 Аналитическое решение и методика расчета Выход той или иной продукции из различного древесного сырья является одним из основных критериев пригодности соответствующей породы древесины.

Выход шпона зависит от многих факторов: породы, диаметра кряжей, толщины отстругов и способов их переработки, схемы продольного раскроя и других причин, связанных с особенностями технологического процесса.

При определении выхода строганого шпона, как правило, используются нормативы расхода сырья, получаемые экспериментальным путем, отличающимся высокой трудоемкостью, и дающие усредненные данные. В связи с этим предлагается рассмотреть способ расчета выхода строганого (сырого) шпона, основанный на использовании теории кратных интегралов и математического пакета «Mathcad 14».

Для этого принимаются следующие допущения:

1) форма кряжа – усеченный круговой конус;

2) припуск на усушку и прирубку шпона по ширине постоянен и равен 15 мм;

3) за основу принимается кряжевой способ разделки фанерного сырья;

4) минимальная ширина шпона – ширина шпона в вершинном торце;

5) отходы на опилки, образующиеся при продольном раскрое, и на срезки, образующиеся при выравнивании заготовок, учитываются в объеме соответствующих горбылей.

Выход шпона из кряжей предлагается определять по следующим вариантам:

раскрой кряжей на заготовки при распиловке параллельно его оси и параллельно его образующей; с использованием сбеговой зоны и нет (минимальные размеры шпона соответствуют требованиям ГОСТ 2977-82).

Методика расчета и аналитическое решение выхода строганого шпона из кряжа базируется на вычитании объемов отдельных частей, которые образуются при раскрое и идут в отходы, из объема всего кряжа [59].

Схемы для определения объемов различных фигур и способы раскроя кряжа представлены на рисунках 2.1 и 2.2.

Рисунок 2.1 – Схемы для определения объемов различных фигур при раскрое кряжа Для определения объема необходимо усеченный конус Аук на рисунке 2.1 достроить до полного конуса (Аук + Адк) и для вычисления объема использовать тройные интегралы и уравнение конуса второго порядка.

Уравнение конуса в декартовой системе координат имеет вид [30]:

a > 0, b > 0 – полуоси эллипса, полученного H > 0 – высота конуса (рис. 2.3).

Расчеты удобнее проводить для конуса, расX этому с помощью параллельного переноса необходимо переместить конус на Н единиц вверх по dк – диаметр основания конуса (А + А1), который соответствует диаметру кряжа в комле.

Усеченный конус Аук, описывающий кряж длиной L, получается с помощью перпендикулярного оси Z сечения плоскостью z = -H + L. Выше этого сечения расположен конус Адк («достраиваемый» конус) высотой (H – L) с диаметром основания dв, который задается уравнением:

Соотношение высоты H достраиваемого полного конуса (Аук + Адк) и высоты L усеченного конуса Аук определяется как:

dв – диаметр верхнего основания усеченного конуса Аук, который соответствует вершинному диаметру кряжа.

Объем Vук усеченного конуса Аук высотой L с диаметрами верхнего и нижнего оснований соответственно dк и dв (рис. 2.1) можно найти как разность объема Vпк конуса (Аук + Адк), описанного уравнением (2.3), и объема Vдк конуса Адк, описанного уравнением (2.4):

Но для нахождения объема кряжа как объема усеченного конуса удобнее пользоваться известной формулой:

Формулу (2.6) предлагается использовать для нахождения объема горбыля Бук, полученного с помощью сечения плоскостью П1, проходящей параллельно оси кряжа (рис. 2.1). При этом объем Vпк будет соответствовать объему VБ у к Б дк находящейся правее плоскости П1 части полного конуса (Бук + Бдк), описываемого уравнением (2.3), а объем Vдк – объему VБ дк находящейся правее плоскости П части «достраиваемого» конуса Бдк, описываемого уравнением (2.4). Сами же объемы Vпк и Vдк можно определить через тройные интегралы:

Для вычисления этих интегралов необходимо расставить пределы интегрирования. Часть полного конуса (Бук + Бдк) ограничена снизу сегментом круга диаметром dк (рис. 2.1). Данный сегмент высотой e2 (рис. 2.1) ограничен по оси Х то есть пределы интегрирования по переменной y изменяются от y По оси Z часть полного конуса (Бук + Бдк) ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью полного конуса (2.3), расположенного ниже плоскости z = H. Поэтому пределы интегрирования по переменной z изменяются от ( z H ) 2 будет с отрицательным знаком, так как рассматриваеткаемый корень ся конус, расположенный ниже плоскости z = H.

Величина x1 определяется как:

е1 – высота сегмента круга диаметром dв (рис. 2.1);

tmin – длина хорды, отсекающей сегмент высотой е1, соответствующая минимальной ширине шпона.

Таким образом, объем VБ у к Б дк вычисляется по формуле:

Аналогично определяются пределы интегрирования по области Бдк для вычисления объема VБ дк. Часть Бдк «достраиваемого» конуса Адк (рис. 2.1) ограничеdв Если сдвинуть «достраиваемый» конус А1 по оси Z на L единиц вниз, то часть Б будет ограничена по оси Z снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью данного «достраиваемого» конуса (2.4). Следовательно, объем VБ дк рассчитывается как:

В результате с учетом формул (2.6) и (2.8) объем VБ у к горбыля Бук, полученного с помощью сечения плоскостью П1, проходящей параллельно оси кряжа (рис. 2.1), определяется как:

где VБ у к Б дк и VБ дк определяются соответственно по формулам (2.11) и (2.13).

Если при раскрое используется сбеговая зона кряжа, то необходимо вычислить дополнительный выход шпона с той части конуса, которая ограничена слева и справа плоскостями П1 и П2, а снизу и сверху плоскостями z = 0 и z = lmin (рис. 2. и рис. 2.2). Эта часть конуса на рисунке 2.1 обозначена К. На рисунке 2.2 плоскость П2 проходит параллельно оси Z на расстоянии x2 от начала координат. Величина x2 определяется исходя из требований ГОСТ 2977-82, согласно которому допускается минимальная длина lmin и минимальная ширина tmin шпона. Окружность диаметром dmin образуется при сечении плоскостью z = lmin, перпендикулярной продольной оси конуса. Диаметр dmin определяется как:

Минимальная ширина шпона tmin определяет длину хорды, отсекающей сегмент высотой е круга диаметром dmin (рис. 2.2). Тогда величина x2 вычисляется как:

Объем VК части конуса К определяется по формуле:

VК К1 соответствует объему части полного конуса (К + К1), которая ограничена слева и справа плоскостями П1 и П2, снизу плоскостью z = 0 и сверху поверхностью полного конуса, описываемого уравнением (2.3);

VК1 – объем части конуса К1, которая ограничена слева и справа плоскостями П1 и П2, снизу плоскостью z = lmin и сверху поверхностью части конуса, описываемого уравнением:

После определения пределов интегрирования объемы VК К1 и VК1 вычисляются по формулам:

Таким образом, с учетом формулы (2.7) объем Vдр древесины для получения шпона при раскрое кряжа параллельно оси можно определить как:

Формула (2.22) учитывает в объеме древесины шпон, который может быть получен из сбеговой зоны кряжа. Если при раскрое сбеговая зона не используется, то объем древесины для получения шпона вычисляется по формуле:

Объем древесины для получения шпона в случае раскроя параллельно сбегу кряжа определяется в следующей последовательности.

Находится объем VЕ у к горбыля Еук, полученного с помощью сечения плоскостью П3 параллельно сбегу кряжа (рис. 2.2). Объем VЕ у к вычисляется как разность объема VБ у к горбыля Бук и объема VЕ1 части конуса Е1, заключенной между плоскостями П1 и П3 (рис. 2.2):

Часть конуса Е1 ограничена со стороны плоскости XOZ плоскостями П1 и П3, а со стороны плоскости YOZ поверхностью полного конуса (2.3). Для нахождения объема VЕ1 необходимо разбить часть конуса Е1 на три смежные области Р1, Р2 и Р3 (рис. 2.2). Так как области Р2 и Р3 имеют одинаковый объем, то:

По областям Р1 и Р2 определяются пределы интегрирования. Поскольку плоскость П3 проходит параллельно сбегу, высоты отсекаемых этой плоскостью сегментов круга, получаемых при пересечении кряжа плоскостями z = 0, z = lmin, z = L, равны. Поэтому с учетом допускаемой по ГОСТ 2977-82 минимальной ширины tmin шпона, находится координата x3 точки пересечения плоскости П3 с осью Х в плоскости z = 0:

Пределы интегрирования по переменной х для обеих областей Р1 и Р2 изменяются от x x1 до x x3. Область Р1 в плоскости XOY по оси Y ограничена прямыми M2M4 и M1M5. Координата x точки M2 равна x3, координата y этой точки определяется из уравнения окружности (2.9). Точка M4 имеет ту же y-координату. Точки M1 и M расположены симметрично относительно оси Y точкам M2 и M4 соответственно. Поэтому для области Р1 по переменной y пределы интегрирования изменяются от ограничена прямой M2M4 и дугой окружности (2.9), пределы интегрирования по пеdк 4x По оси Z область Р1 ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху – плоскостью П3, уравнение которой можно найти по координатам трех ее точек В результате уравнение плоскости П3 примет вид:

Область Р2 ограничена по оси Z снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью полного конуса (2.3).

Таким образом, объем VЕ1 вычисляется по формуле:

Если при раскрое параллельно сбегу используется сбеговая зона кряжа, то необходимо дополнительно рассчитать объем горбыля Ж, полученного с помощью сечения плоскостью П4 параллельно сбегу кряжа и ограниченного снизу плоскостью z = 0, а сверху плоскостью z = lmin (рис. 2.2). Плоскость П4 проходит так, чтобы в соответствии с требованиями ГОСТ 2977-82 при допустимой минимальной длине lmin шпона соблюдалась минимальная ширина tmin шпона.

Диаметр dmin полученного плоскостью z = lmin сечения вычисляется по формуле (2.15). Высота е3 сегмента, отсекаемого хордой tmin, определяется по формуле (2.16) (рис. 2.2). Следовательно, координата x4 точки пересечения плоскости П4 с осью Х рассчитывается как:

Объем VЖ горбыля Ж находится как разность объема V Г у к горбыля Гук и объема V Ж1 части конуса Ж1, ограниченной слева и справа плоскостями П2 и П (рис. 2.2):

Объем V Г у к горбыля Гук, полученного с помощью сечения плоскостью П параллельно оси кряжа (рис. 2.2), определяется аналогично объему горбыля Бук:

VГ у к Г1 соответствует объему находящейся правее плоскости П2 части полного конуса (Гук + Г1), описываемого уравнением (2.3);

V Г1 – объем находящейся правее плоскости П2 части конуса Г1, описываемого уравнением (2.19).

После определения пределов интегрирования получаются следующие формулы для вычисления объемов VГ у к Г1 и V Г1 :

Часть конуса Ж1 ограничена со стороны плоскости XOZ плоскостями П2 и П4, а со стороны плоскости YOZ поверхностью полного конуса (2.3). Для определения объема V Ж1 необходимо также, как и в случае объема VЕ1, разбить часть конуса Ж1 на три смежные области С1, С2 и С3 (рис. 2.2). Области С2 и С3 имеют одинаковый объем, поэтому:

По переменной х пределы интегрирования для обеих областей С1 и С2 изменяются от x x2 до x x4. Область С1 ограничена в плоскости XOY по оси Y прямыми N2N4 и N1N5. Координата x точки N2 равна x4, координата y этой точки определяется из уравнения окружности (2.9). Точка N1 расположена симметрично относительно оси Y точке N2. Поэтому для области С1 пределы интегрирования по По оси Z область С1 ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху – плоскостью П4, уравнение которой находится по координатам трех ее точек В результате уравнение плоскости П4 примет вид:

Область С2 по оси Z ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью полного конуса (2.3).

Таким образом, объем V Ж1 рассчитывается по формуле:

В случае раскроя параллельно сбегу кряжа с использованием сбеговой зоны дополнительный выход шпона получается с той части конуса, которая ограничена слева и справа плоскостями П3 и П4, а снизу и сверху плоскостями z = 0 и z = lmin (рис. 2.2). Эта часть конуса на рисунке 2.2 обозначена Л. Ее объем VЛ находится по формуле:

VЕ2 – объем горбыля Е2, являющегося частью горбыля Еук, заключенной между плоскостями z = lmin и z = L.

Данный объем VЕ 2 можно вычислить как:

VБ2 – объем горбыля Б2, являющегося частью горбыля Бук, заключенной между плоскостями z = lmin и z = L (рис. 2.1);

VЕ3 – объем части Е3, заключенной между плоскостями П1 и П3 и плоскостями z = lmin и z = L (рис. 2.2).

Объем VБ2 определяется по формуле:

VБ 2 Б дк соответствует объему находящейся правее плоскости П1 части полного конуса (Б2 + Бдк), описываемого уравнением (2.19).

Для вычисления объемов VБ 2 Б дк и VЕ3 необходимо расставить пределы интегрирования. Часть полного конуса (Б2 + Бдк) ограничена снизу лежащим в плоскости z = lmin сегментом круга диаметром dmin (рис. 2.1). Данный сегмент ограничен Если сдвинуть полный конус (Б2 + Бдк) по оси Z на lmin единиц вниз, то часть полного конуса (Б2 + Бдк) будет ограничена по оси Z снизу плоскостью z = 0, а сверху – поверхностью данного полного конуса (2.19). Следовательно, объем VБ 2 Б дк вычисляется по формуле:

Используя выражения (2.13) и (2.39), по формуле (2.37) определяется объем VБ2.

Часть конуса Е3 ограничена со стороны плоскости XOZ плоскостями П1 и П3, а со стороны плоскости YOZ поверхностью полного конуса (Б2 + Бдк), описываемого уравнением (2.19). Для нахождения объема V Е3 часть конуса Е3 разбивается на три смежные области Ф1, Ф2 и Ф3 (рис. 2.2). Так как области Ф2 и Ф3 имеют одинаковый объем, то:

Поскольку плоскость П3 проходит параллельно сбегу, высоты отсекаемых этой плоскостью сегментов круга, получаемых при пересечении кряжа плоскостями z = 0, z = lmin, z = L, равны. Поэтому с учетом допускаемой по ГОСТ 2977- минимальной ширины tmin шпона, координата x5 точек, лежащих на прямой Q1Q2, по которой пересекаются плоскости П3 и z = lmin, вычисляется как:

Пределы интегрирования для обеих областей Ф1 и Ф2 по переменной х изменяются от x x1 до x x5. Область Ф1 в плоскости z = lmin по оси Y ограничена прямыми Q2Q4 и Q1Q5. Координата x точки Q2 равна x5, координата y этой точки определяется из уравнения окружности (2.38). Ввиду симметричности точек Q2 и Q1 относительно оси Y пределы интегрирования для области Ф1 по переменной y изменяютd min 4 x5 d min 4 x ограничена прямой Q2Q4 и дугой окружности (2.38). Пределы интегрирования по пеd min 4 x По оси Z область Ф1 ограничена снизу плоскостью z = lmin, а сверху – плоскостью П3, задаваемой уравнением (2.26). Область Ф2 ограничена по оси Z снизу плоскостью z = lmin, а сверху – поверхностью полного конуса (Б2 + Бдк), описываемого уравнением (2.19). Учитывая, что уравнение (2.19) полного конуса (Б2 + Бдк) было получено с помощью его смещения на lmin единиц вниз по оси Z, необходимо нижнюю границу области Ф2 по оси Z (z = lmin) также переместить на lmin единиц вниз. Поэтому пределы интегрирования по переменной z для области Ф2 изменяH lmin ) Следовательно, объем VЕ3 вычисляется в виде:

В результате по формуле (2.36) рассчитывается объем VЕ2, а по формуле (2.35) – дополнительный выход VЛ шпона со сбеговой зоны.

Зная объем всего кряжа (2.7), объем Vдр древесины для получения шпона при раскрое параллельно сбегу с учетом дополнительного выхода VЛ со сбеговой зоны, можно определить как:

Если сбеговая зона не используется при раскрое параллельно сбегу, то объем древесины для получения шпона вычисляется по формуле:

При изготовлении строганого шпона образуются различные виды отходов.

Существенную долю среди них имеет отструг, методика учета которого в объемном выходе шпона приведена ниже. Схема для определения объема отструга при раскрое параллельно оси кряжа представлена на рисунке 2.4.

При таком способе раскроя кряжа отструг схож по форме с обелиском, две противоположные боковые грани которого имеют криволинейную поверхность, а одинаковые по ширине основания лежат в плоскостях z = 0 и z = L (рис. 2.4). Объос ем Vотс отструга (рис. 2.4) определяется по формуле:

Vпд – объем параллелепипеда Т1Т2Т3Т4Т5Т6Т7Т8;

V Гр – объем горбыля Гр.

При заданной толщине hотс отструга по оси Х отструг ограничен плоскостяhотс h оси Z – плоскостями z = 0 и z = L (рис. 2.4).

Ширина и высота параллелепипеда Т1Т2Т3Т4Т5Т6Т7Т8 известны. Его длину |Т5Т8| можно определить как удвоенное значение положительной у-координаты точки пересечения окружности (2.12) с прямой x = xотс в плоскости z = L:

Рисунок 2.4 – Схема для определения объема отструга при раскрое параллельно оси кряжа Тогда объем параллелепипеда Т1Т2Т3Т4Т5Т6Т7Т8 вычисляется как:

Объем горбыля Гр находится аналогично объему горбыля Бук как разность объемов двух горбылей, первый из которых является частью конуса (2.3), а второй – конуса (2.4). Учитывая симметричность горбыля Гр относительно оси X, его объем V Гр вычисляется по формуле:

Таким образом, применяя выражения (2.46) и (2.47), по формуле (2.44) расос считывается объем Vотс отструга. В зависимости от того, используется или нет при раскрое параллельно оси кряжа сбеговая зона, находится выход шпона Vшп с учетом отходов на отструг. Если сбеговая зона кряжа используется, то выход шпона определяется как:

Если сбеговая зона не используется, то выход шпона вычисляется по формуле:

В случае, когда кряж раскраивается параллельно сбегу, отструг также имеет форму обелиска (рис. 2.5), две противоположные боковые грани которого являются криволинейными поверхностями, а расположенное в плоскости z = 0 нижнее основание по ширине превышает верхнее основание обелиска, лежащее в плоскосб сти z = L. Объем Vотс отструга (рис. 2.5) рассчитывается как:

Если известна толщина hотс отструга в вершинной части кряжа, то по оси Х отструг ограничен двумя параллельными сбегу кряжа плоскостями, которые переhотс h секаются с плоскостью z = L по прямым x xотс Y – поверхностью конуса (2.3); по оси Z – плоскостями z = 0 и z = L (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Схема для определения отструга при раскрое параллельно сбегу кряжа Для вычисления объема обелиска Д 1 Д 2 Д 3 Д 4 Д 5 Д 6 Д 7 Д 8 необходимо определить длину и ширину его верхнего и нижнего оснований. Ширина |Д 7 Д 8 | верхнего основания равна толщине отструга hотс = 2xотс. Грань Д 1 Д 4 Д 5 Д 8 параллельна сбегу кряжа, поэтому ширина |Д 1 Д 2 | нижнего основания составляет:

Длины |Д 5 Д 8 | и |Д 1 Д 4 | соответственно верхнего и нижнего оснований обелиска равны и определяются по формуле (2.45). Следовательно, объем обелиска Д 1 Д 2 Д 3 Д 4 Д 5 Д 6 Д 7 Д 8 вычисляется как:

или Горбыль Грс состоит из горбыля Гр и двух симметричных относительно плоскости YOZ частей отструга (часть Д 1 Д 8 Д 9 Д 11 Д 10 на рис. 2.5). Следовательно, объем V Грс горбыля Грс можно определить в виде:

В выражении (2.53) необходимо расставить пределы интегрирования. Грань Д 1 Д 8 Д 10 является частью плоскости, параллельной сбегу кряжа и проходящей через точки Д 5 Д 8 Д 1, а грань Д 10 Д 8 Д 11 частью поверхности конуса (2.3). Поэтому область интегрирования Д 1 Д 8 Д 9 Д 11 Д 10 разбивается на две соответствующие подобласти.

По переменной х пределы интегрирования для данных подобластей одинаковы По переменной у для первой подобласти, ограниченной поверхностью грани d к 4 к в xотс. Для второй подобласти, ограниченной поверхноy стью грани Д10Д8Д11, – от y По оси Z первая подобласть ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху плоскостью, параллельной сбегу кряжа и проходящей через точки Д1, Д5 и Д8. КоД1 d к d в xотс ; d в 4 xотс ; 0, Д5 xотс ; d в 4 xотс ; L и Д8 xотс ; d в 4 xотс ; L. Поэтому уравнение плоскости, проходящей через точки Д1, Д5 и Д8, определяется из выражения:

и имеет следующий вид:

Вторая подобласть по оси Z будет ограничена снизу плоскостью z = 0, а сверху частью поверхности конуса (2.3).

Следовательно, объем V Грс горбыля Грс рассчитывается как:

Используя выражения (2.52), (2.47), (2.53) и (2.55), по формуле (2.50) высб числяется объем Vотс отструга. В зависимости от того, используется или нет сбесб говая зона при раскрое кряжа параллельно сбегу, определяется выход шпона Vшп с учетом отходов на отструг. Если сбеговая зона кряжа используется, то выход шпона рассчитывается как:

Если сбеговая зона не используется, то выход шпона находится по формуле:

В результате процент выхода строганого шпона рассчитывается по формулам:

Рrвхд – процент выхода шпона при раскрое кряжа параллельно оси;

Рrвхд – процент выхода шпона при раскрое кряжа параллельно сбегу.

Результаты расчетов выхода строганого шпона, полученные с применением разработанной методики, приведены в таблицах 2.1 – 2.2. Результаты промежуточных вычислений даны в таблицах А.1 и А.2 Приложения А. Для выполнения расчетов были приняты следующие исходные параметры: вершинный диаметр кряжа – dв = 50 см; длина – L = 3 м; минимальная ширина шпона по ГОСТ 2977- (с учетом припуска на обработку 15 мм) tmin = 75 мм, минимальная длина шпона lmin = 40 см; толщина отструга в вершинной части при раскрое кряжа параллельно оси – hотс = 30 мм; при раскрое параллельно сбегу – hотс = 20 мм.

Таблица 2.1 –Выход шпона с использованием сбеговой зоны кряжа Таблица 2.2 – Выход шпона без использования сбеговой зоны кряжа Выход шпона без использования сбеговой зоны при раскрое Все вычисления проводились в математическом пакете «Mathcad 14», позволяющем находить значения кратных интегралов. Листинг рабочей области документа Mathcad с полученными результатами вычислений при сбеге 1 см/м приведен в Приложении Б.

Графическая иллюстрация приведенных в таблицах 2.1 и 2.2 данных представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Выход шпона при раскрое кряжа параллельно:

1, 2 – оси кряжа соответственно с использованием и без сбеговой зоны;

3, 4 – сбегу кряжа соответственно с использованием и без сбеговой зоны Анализ результатов расчета выхода шпона показывает:

1) использование сбеговой зоны при раскрое параллельно оси кряжа позволяет увеличить выход строганого шпона при принятых выше допущениях и изменении сбега от 0,5 до 4,0 см/м на 0,1 – 1,5 %;

2) использование сбеговой зоны при раскрое кряжей параллельно сбегу не влияет на выход шпона;

3) выход шпона в случае раскроя кряжа параллельно сбегу превышает на 0,9 % соответствующий показатель выхода при раскрое параллельно оси, если сбег составляет 0,5 см/м. При остальных значениях сбега (от 1 до 4 см/м), напротив, выход шпона при раскрое параллельно оси превышает соответствующие показатели выхода при раскрое параллельно сбегу (на 0,7 – 8,7 %), причем эта разница увеличивается с ростом сбега кряжа. Характер такого изменения выхода шпона при раскрое параллельно сбегу связан с более быстрым ростом объема отструга при увеличении сбега. При изменении сбега от 0,5 до 4,0 см/м объем отструга в случае раскроя параллельно сбегу увеличивается в 3 раза быстрее, чем при раскрое параллельно оси (табл. А.2).

Следовательно, при раскрое по сбегу необходимо стремиться к использованию сырья, имеющего сбег до 1 см/м, и выбору технологий и оборудования, позволяющих получать отструг с минимальной толщиной.

Средний сбег без деления по месту вырезки из хлыста составляет 0,942 см/м [28]. Поэтому можно констатировать, что способ раскроя кряжа существенного влияния на объемный выход шпона, в среднем, не оказывает. Его изменение в ту или иную сторону, в основном, обусловлено величиной сбега конкретных кряжей.

Таким образом, разработанное аналитическое решение с соответствующим программным обеспечением, позволяет точно и быстро определять объемы древесного сырья и его частей, достаточно сложных по форме, и может быть использовано в технологических расчетах по определению выхода строганого шпона при различных схемах продольного раскроя кряжей.

2.2 Оценка влияния условий формирования строганого шпона Технология производства строганого шпона постоянно совершенствуется за счет применения более рациональных способов раскроя кряжей на заготовки, внедрения прогрессивных способов строгания, широкого вовлечения древесины хвойных пород.

Наиболее ценным принято считать строганый шпон радиального и полурадиального вида. Такой шпон имеет меньшую шероховатость поверхности листов шпона и более высокую прочность, поскольку радиальный шпон имеет меньший угол перерезания волокон. Кроме того, радиальный и полурадиальный шпон образуют более прочные и стабильные по площади клеевые швы за счет лучшего смачивания поверхности клеем. На таких поверхностях лучше сохраняются лакокрасочные материалы [35].

В соответствии с ГОСТ 2977-82 годичные слои радиального и полурадиального шпона должны, в основном, иметь вид прямых линий [45]. Такое требование к текстуре поверхности шпона обеспечивает возможность набора одинаковых по декоративности облицовок, что в результате гармонизирует внешний вид наружных поверхностей мебельного изделия.

Одним из факторов, влияющих на вид получаемого строганого шпона, является способ раскроя сырья перед строганием. По существующей технологии раскроя круглого лесоматериала на заготовки для строгания шпона пропилы делают параллельно оси кряжа, поэтому при строгании из одной заготовки получают шпон трех видов: радиальный, полурадиальный и тангентальный.

Для получения листов с линейной текстурой поверхности предлагается использовать способ [92], согласно которому при раскрое кряжа на заготовки для строгания плоскости первых двух наружных противоположных пропилов ориентируют параллельно оси кряжа и между собой, а последующие плоскости пропилов ориентируют параллельно образующей поверхности кряжа. При этом плоскости наружного и внутреннего пропилов каждой заготовки попарно параллельны между собой и перпендикулярны к плоскостям двух первых пропилов.

Схема раскроя кряжа и выполнение резов показана на рисунке 2.7. Предлагаемый способ раскроя кряжей на заготовки для строгания шпона реализуют при выполнении следующей последовательности операций. Первоначально кряж 1 опиливают с двух сторон, при этом плоскости пропилов ориентируют параллельно оси кряжа. Затем из полученного двухкантного бруса формируют тупокантный брус 2, опиленный с четырех сторон, причем плоскости последующих двух сторон бруса формируют параллельно сбегу кряжа. Полученный тупокантный брус распиливают на два ванчеса 3 и 6 с выпиливанием сердцевинной доски 5. При выпиливании сердцевинной доски первый рез выполняют параллельно наружной плоскости тупокантного бруса, сформированной по сбегу. В результате получают ванчес 3, в котором годичные слои расположены параллельно друг другу. Затем из оставшейся от тупокантного бруса части 4 выпиливают сердцевинную доску 5, представляющую собой по форме многогранник в виде обелиска (усеченного клина). Таким образом, получают второй ванчес 6 с параллельно расположенными годичными слоями.

Рисунок 2.7 – Схема раскроя кряжа на ванчесы и продольного строгания шпона:

1 – кряж; 2 – тупокантный брус; 3 – ванчес; 4 – пиление; 5 – сердцевинная доска; 6 – ванчес Полученные в результате раскроя кряжей ванчесы после гидротермической обработки подвергают строганию на шпон. Строгание ванчесов на шпон осуществляется, как правило, двумя способами: поперек (рис. 2.8, а) и вдоль (рис. 2.8, б) волокон.

Рисунок 2.8 – Схема взаимного расположения инструмента и ванчеса:

а – строгание поперек волокон; б – строгание вдоль волокон;

Ранее проведенными исследованиями [98] установлено, что изменение шероховатости поверхности строганого шпона по сечению ванчеса в значительной степени обуславливается величиной угла встречи ножа с годичными слоями. При строгании ванчеса под острым углом встречи ножа с годичными слоями поверхность шпона имеет меньшие значения шероховатости, поэтому получается более качественной.

Для расчета угла встречи ножа с годичными слоями при поперечном строгании ванчесов используется схема, изображенная на рисунке 2.9, а [24].

Рисунок 2.9 – Расчетные схемы: а – угла встречи ножа с годичными слоями;

б – расстояния между годичными слоями в плоскости резания Известно, что угловой коэффициент касательной к кривой f(x), проходящей через данную точку, равен значению производной от этой функции в данной точке.

Из схемы, изображенной на рисунке 2.9, а, следует:

ха – х-координата точки, через которую проведена касательная к окружности радиусом rk;

bk – угол между проведенной через точку с координатами (ха, p) касательной к окружности радиусом rk и положительным направлением оси Х.

Зная уравнение окружности:

определяется производная 2 x 2 y y 0 или Из формул (2.59) и (2.61) следует:

p – y-координата точки, через которую проведена касательная к окружности радиусом rk.

Следовательно, угол ak встречи ножа с годичными слоями в плоскости резания, параллельной оси Х, при перемещении ножа поперек годичных слоев слева направо определяется как:

В формуле (2.64) ха характеризует удаленность от центра точки пересечения плоскости резания с годичным слоем вдоль оси Х, а переменная р задает расстояние вдоль оси Y от центра до плоскости резания, параллельной оси Х.

Ширина hp годичного слоя в плоскости резания, расположенной на расстоянии p от центра ванчеса вдоль оси Y, согласно рисунку 2.9, б, определяется зависимостью:

tp – ширина годичного слоя в плоскости резания при р = 0 (вдоль оси Х).